Ультразвукова дегазація і піногасіння рідин

Дегазація і піногасіння рідин за допомогою ультразвуку є дуже ефективним процесом. Ультразвук видаляє з рідини дрібні зважені бульбашки газу і знижує рівень розчиненого газу нижче рівня природної рівноваги.

Дегазація і піногасіння рідин необхідна для багатьох цілей, таких як наступні процеси:

• підготовка проб перед вимірюванням розміру частинок, щоб уникнути помилок у вимірюванні
• Дегазація масла і мастила перед насосом для зменшення зносу насоса через кавітацію
• дегазація рідких продуктів, наприклад, соку, соусу або вина, для зменшення росту мікроорганізмів і збільшення терміну зберігання
• дегазація полімерів і лаків перед нанесенням, затвердіння або вакуумна інфузія

При ультразвуковому синтезі рідин звукові хвилі, які поширюються з випромінюючої поверхні в рідкі середовища, призводять до чергування циклів високого і низького тиску, швидкість яких залежить від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі можуть створювати невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Велика кількість дрібних бульбашок утворює велику загальну площу поверхні бульбашок. Бульбашки також добре розподіляються в рідині. Розчинений газ мігрує в ці вакуумні бульбашки через велику площу поверхні і збільшує розмір бульбашок.
Акустичні хвилі підтримують дотик і злиття сусідніх бульбашок, що призводить до прискореного росту бульбашок. Ультразвукові хвилі також допоможуть струсити бульбашки з поверхні судин і змусять менші бульбашки, що лежать під поверхнею рідини, піднятися і випустити захоплений газ у навколишнє середовище.

Перевірте це на міцність

Процес дегазації і піногасіння рідин можна легко зробити помітним. У скляній мензурці зі свіжоналитою водопровідною водою ультразвук змусить маленькі зважені бульбашки злитися і швидко рухатися вгору. Ви можете побачити цей ефект на зображенні прогресу нижче.

Ультразвукова дегазація води (5 секунд)

Перемішане масло містить велику кількість зважених бульбашок або піни. Зокрема, в охолоджуючих рідинах це проблема. Там бульбашки газу сприяють зносу, викликаному кавітацією, в насосах або форсунках. На зображенні прогресу нижче показаний ефект ультразвукового піногасіння.

Ультразвукова дегазація: захоплені бульбашки газу видаляються з нафти за допомогою ультразвукового апарату UP400St

Ультразвук призведе до утворення невеликих вакуумних бульбашок у чистій несвіжій воді. Ці бульбашки наповнюються розчиненим газом, який мігрує в бульбашки. Отже, бульбашки ростуть і просуваються вгору. Дегазаційний ефект добре видно в будь-якої напівпрозорої рідини.
Оскільки ультразвук покращує підйом дрібних зважених бульбашок на поверхню рідини, він також зменшує час контакту між бульбашкою та рідиною. З цієї причини він також обмежує повторне розчинення газу з бульбашки в рідині. Це представляє особливий інтерес для рідин з більш високою в'язкістю, таких як масла або смоли. Так як бульбашки повинні переміщатися на поверхню рідини, то ультразвукова дегазація працює краще, якщо ємність неглибока, щоб час виходу на поверхню був коротшим.

За межами видимих ефектів

Точність вимірювання ефекту дегазації шляхом візуального контролю обмежена. Вимірювання газоносності є більш точним способом розповісти про ефективність ультразвукової дегазації.

Рідини містять певну кількість розчиненого газу. Концентрація газу залежить від таких факторів, як температура, тиск навколишнього середовища або перемішування рідини. При постійних умовах концентрація газу наблизиться до рівноваги. Ультразвукова дегазація змінить умови, тому що рідина піддається впливу бульбашок низького тиску і перемішування. Тому ультразвук знизить концентрацію газу в рідині нижче рівноважного рівня.
Коли ультразвуковий звук припиняється і початкові умови знову встановлюються, концентрація газу повільно наближається до початкового рівня рівноваги, якщо рідина не піддається впливу будь-якого газу, наприклад, у закритій пляшці. Оскільки повторне розчинення газу в рідині відбувається досить повільно, після ультразвуку можна працювати з рідиною з низьким вмістом газу. Графік нижче ілюструє цей ефект.

Ілюстрація ультразвукової дегазації води

Дегазація перед емульгуванням і диспергуванням

Ультразвукова дегазація дозволяє поліпшити якість дисперсій і емульсій.

Суть проблеми

Часто емульсії і дисперсії містять поверхнево-активні речовини з метою підвищення їх стійкості. Поверхнево-активні речовини будуть пригнічувати контакт і злиття або агломерацію дисперсного матеріалу в рідкій фазі. Для цього поверхнево-активні речовини сформують шар навколо кожної частинки. Ці ж поверхнево-активні речовини можуть інкапсулювати і бульбашки газу, які знаходяться в підвішеному стані в рідкій фазі. Такі стабілізовані бульбашки можуть виявитися дуже міцними. Стабілізовані бульбашки споживають поверхнево-активну речовину, знижують якість емульсії або дисперсії і можуть генерувати неправильні показники при вимірюванні розміру частинок.

Рішення: ультразвукова дегазація

Для того щоб зменшити проблему стабілізованих бульбашок газу, рідини слід дегазувати за допомогою ультразвуку. Перш ніж додавати дисперсну фазу, наприклад, масло або порошок, проведіть ультразвуковий звук рідини, поки кількість утворюються бульбашок не зменшиться. При змішуванні з іншими матеріалами уникайте утворення нових бульбашок або вихору під час перемішування. Це дозволить швидко збільшити вміст газу.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Дослідження та зображення Amani et al. 2016

Витіснення вуглекислого газу назовні

Ефект дегазації використовується при тестуванні на герметичність банок і пляшок, що містять газовані напої, такі як кола, газована вода або пиво. Будь ласка, натисніть тут, щоб отримати більше інформації про тестування пляшки на герметичність.

Коротко про ультразвукову дегазацію

Ультразвукова дегазація рідин працює краще при використанні наступної установки.

• Застосовуйте низькі та помірні амплітуди ультразвуку!
• Використовуйте сонотроди з великою площею поверхні, наприклад, радіально випромінюючі сонотроди!
• Забезпечте низький тиск або вакуум над поверхнею рідини під час звукування!
• Нагрійте рідину, щоб зменшити її в'язкість!
• Використовуйте неглибоку ємність для відділення газу під час або після ультразвуку!
• Уникайте турбулентного перемішування, щоб бульбашки газу могли рухатися вгору!

Ультразвукова дегазація може використовуватися в пакетному режимі або в потоковому режимі. У разі роботи на лінії слід встановити підставку-трубу для скидання газу та застосувати газовий насос.

Література / Список літератури